JP3103916B2 - 強誘電体キャパシタおよびその製造方法並びにそれを用いたメモリセル - Google Patents
強誘電体キャパシタおよびその製造方法並びにそれを用いたメモリセルInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ビスマス（Ｂｉ）
系層状結晶構造酸化物を含む強誘電体膜を備えた強誘電
体キャパシタおよびその製造方法並びにそれを用いたメ
モリセルに関する。
系層状結晶構造酸化物を含む強誘電体膜を備えた強誘電
体キャパシタおよびその製造方法並びにそれを用いたメ
モリセルに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、成膜技術の進歩に伴い、強誘電体
薄膜を用いた不揮発性メモリの開発が盛んに行われてい
る。この不揮発性メモリは、強誘電体薄膜の高速な分極
反転とその残留分極を利用することにより高速書き換え
が可能な不揮発性ランダムアクセスメモリ（Ferroelect
ric Random Access Memories；ＦｅＲＡＭ）であり、電
源を切ると中に書き込まれていた情報が消えてしまう揮
発性メモリとは異なり、書き込まれた内容が消えないと
いう利点を有する。このようなＦｅＲＡＭを構成する材
料として、ビスマス系層状結晶構造酸化物が挙げられ
る。このビスマス系層状結晶構造酸化物は、従来使用さ
れてきたＰｂＴｉＯ3 とＰｂＺｒＯ3 との固溶体である
ＰＺＴ系材料の最大のデメリットであったファティーグ
現象、すなわち書き換えの繰り返しによる残留分極値の
低下がみられないことから注目を集めている。最近で
は、このビスマス系層状結晶構造酸化物について、Ｆｅ
ＲＡＭへの応用に向け、多結晶からなる薄膜の作製に成
功したとの報告もなされている。
薄膜を用いた不揮発性メモリの開発が盛んに行われてい
る。この不揮発性メモリは、強誘電体薄膜の高速な分極
反転とその残留分極を利用することにより高速書き換え
が可能な不揮発性ランダムアクセスメモリ（Ferroelect
ric Random Access Memories；ＦｅＲＡＭ）であり、電
源を切ると中に書き込まれていた情報が消えてしまう揮
発性メモリとは異なり、書き込まれた内容が消えないと
いう利点を有する。このようなＦｅＲＡＭを構成する材
料として、ビスマス系層状結晶構造酸化物が挙げられ
る。このビスマス系層状結晶構造酸化物は、従来使用さ
れてきたＰｂＴｉＯ3 とＰｂＺｒＯ3 との固溶体である
ＰＺＴ系材料の最大のデメリットであったファティーグ
現象、すなわち書き換えの繰り返しによる残留分極値の
低下がみられないことから注目を集めている。最近で
は、このビスマス系層状結晶構造酸化物について、Ｆｅ
ＲＡＭへの応用に向け、多結晶からなる薄膜の作製に成
功したとの報告もなされている。
【０００３】ところが、多結晶薄膜の場合、薄膜中には
強誘電性に寄与する好都合な配向の結晶粒子ばかりでは
なく、電圧を印加する方向により強誘電性に全く寄与し
ない結晶粒子も含まれている。よって、多結晶薄膜によ
りＦｅＲＡＭを構成する場合には、結晶粒子の数が多く
ないと良好な残留分極値（Ｐｒ）を安定して得ることが
できない。特に、ＦｅＲＡＭの高密度化，高集積化が進
んでいる近年においては、結晶粒子の大きさが小さい方
が薄膜の面積を小さくすることができるので好ましい。
強誘電性に寄与する好都合な配向の結晶粒子ばかりでは
なく、電圧を印加する方向により強誘電性に全く寄与し
ない結晶粒子も含まれている。よって、多結晶薄膜によ
りＦｅＲＡＭを構成する場合には、結晶粒子の数が多く
ないと良好な残留分極値（Ｐｒ）を安定して得ることが
できない。特に、ＦｅＲＡＭの高密度化，高集積化が進
んでいる近年においては、結晶粒子の大きさが小さい方
が薄膜の面積を小さくすることができるので好ましい。
【０００４】ちなみに、従来のビスマスとストロンチウ
ム（Ｓｒ）とタンタル（Ｔａ）と酸素（Ｏ）とからなる
層状結晶構造酸化物の多結晶薄膜では、残留分極値（２
Ｐｒ）が約２０μＣ／ｃｍ2 で結晶粒子の平均表面積が
約０．０５μｍ2 というものが得られている（T.Atsuki
et al.,Jpn.J.Appl.Phys.Vol.34(1995)pp.5096-509
9）。しかし、この程度の大きさの結晶粒子では、薄膜
の表面積が１μｍ2 程度まで縮小されると２０個程度の
結晶粒子しか含まれないことになり、十分な強誘電特性
を得ることができないおそれがある。そこで、結晶粒子
の大きさをより小さくすることが望まれる。ここで、結
晶粒子の大きさを小さくする方法としては、結晶粒子の
大きさと組成とに関係が有ることから、組成を調節する
ことが考えられる。
ム（Ｓｒ）とタンタル（Ｔａ）と酸素（Ｏ）とからなる
層状結晶構造酸化物の多結晶薄膜では、残留分極値（２
Ｐｒ）が約２０μＣ／ｃｍ2 で結晶粒子の平均表面積が
約０．０５μｍ2 というものが得られている（T.Atsuki
et al.,Jpn.J.Appl.Phys.Vol.34(1995)pp.5096-509
9）。しかし、この程度の大きさの結晶粒子では、薄膜
の表面積が１μｍ2 程度まで縮小されると２０個程度の
結晶粒子しか含まれないことになり、十分な強誘電特性
を得ることができないおそれがある。そこで、結晶粒子
の大きさをより小さくすることが望まれる。ここで、結
晶粒子の大きさを小さくする方法としては、結晶粒子の
大きさと組成とに関係が有ることから、組成を調節する
ことが考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、また、
組成は強誘電特性とも密接に関係しており、組成の調節
により結晶粒子の大きさを小さくしようとすると優れた
強誘電特性が得られず、逆に強誘電特性を向上させよう
とすると結晶粒子の大きさを小さくすることができなか
った。例えば、ビスマスとストロンチウムとタンタルと
酸素とからなる層状結晶構造酸化物の多結晶薄膜では、
ストロンチウムの組成比が化学量論的な組成よりも２０
％程小さい時に良好な強誘電特性を得ることができる
が、ストロンチウムの組成比が化学量論的な組成から２
０％程小さい値に近づくにつれ強誘電特性は向上するの
に対し、結晶粒子の大きさは逆に大きくなってしまう
（T.Atsuki et al.,Jpn.J.Appl.Phys.Vol.34(1995)pp.5
096-5099 ; T.Noguchi et al.,J.Appl.Phys.Vol.35(199
6)pp.4900-4904など）。すなわち、単なる組成の調節だ
けでは優れた強誘電特性を保持しつつ結晶粒子の大きさ
を小さくすることができず、ＦｅＲＡＭを小型化するこ
とができないという問題があった。
組成は強誘電特性とも密接に関係しており、組成の調節
により結晶粒子の大きさを小さくしようとすると優れた
強誘電特性が得られず、逆に強誘電特性を向上させよう
とすると結晶粒子の大きさを小さくすることができなか
った。例えば、ビスマスとストロンチウムとタンタルと
酸素とからなる層状結晶構造酸化物の多結晶薄膜では、
ストロンチウムの組成比が化学量論的な組成よりも２０
％程小さい時に良好な強誘電特性を得ることができる
が、ストロンチウムの組成比が化学量論的な組成から２
０％程小さい値に近づくにつれ強誘電特性は向上するの
に対し、結晶粒子の大きさは逆に大きくなってしまう
（T.Atsuki et al.,Jpn.J.Appl.Phys.Vol.34(1995)pp.5
096-5099 ; T.Noguchi et al.,J.Appl.Phys.Vol.35(199
6)pp.4900-4904など）。すなわち、単なる組成の調節だ
けでは優れた強誘電特性を保持しつつ結晶粒子の大きさ
を小さくすることができず、ＦｅＲＡＭを小型化するこ
とができないという問題があった。
【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、優れた強誘電特性を保持しつつ結晶
粒子の大きさを小さくすることにより、小型化を図るこ
とができる強誘電体キャパシタおよびその製造方法並び
にそれを用いたメモリセルを提供することにある。
ので、その目的は、優れた強誘電特性を保持しつつ結晶
粒子の大きさを小さくすることにより、小型化を図るこ
とができる強誘電体キャパシタおよびその製造方法並び
にそれを用いたメモリセルを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の強誘電体キャパ
シタは、強誘電体膜に一対の電極を接続したものであっ
て、強誘電体膜は、ビスマスと、第１の元素としてのス
トロンチウム，カルシウム（Ｃａ）およびバリウム（Ｂ
ａ）からなる群のうちの少なくとも１種と、第２の元素
としてのタンタルおよびニオブ（Ｎｂ）からなる群のう
ち少なくとも１種と、酸素とからなる多結晶の層状結晶
構造酸化物を含むと共に、この層状結晶構造酸化物は組
成式がＢｉx （Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）y （Ｔａ，Ｎｂ）2
Ｏ9 ±d（但し、１．７０≦ｘ≦２．５０，０．６０≦
ｙ≦１．２０，０≦ｄ≦１．００）であり、かつ強誘電
体膜において第１の元素の組成比に変化を有するもので
ある。
シタは、強誘電体膜に一対の電極を接続したものであっ
て、強誘電体膜は、ビスマスと、第１の元素としてのス
トロンチウム，カルシウム（Ｃａ）およびバリウム（Ｂ
ａ）からなる群のうちの少なくとも１種と、第２の元素
としてのタンタルおよびニオブ（Ｎｂ）からなる群のう
ち少なくとも１種と、酸素とからなる多結晶の層状結晶
構造酸化物を含むと共に、この層状結晶構造酸化物は組
成式がＢｉx （Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）y （Ｔａ，Ｎｂ）2
Ｏ9 ±d（但し、１．７０≦ｘ≦２．５０，０．６０≦
ｙ≦１．２０，０≦ｄ≦１．００）であり、かつ強誘電
体膜において第１の元素の組成比に変化を有するもので
ある。
【０００８】本発明の強誘電体キャパシタの製造方法
は、ビスマスと、第１の元素としてのストロンチウム，
カルシウムおよびバリウムからなる群のうちの少なくと
も１種と、第２の元素としてのタンタルおよびニオブか
らなる群のうち少なくとも１種と、酸素とからなり、組
成式がＢｉx （Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）y （Ｔａ，Ｎｂ）2
Ｏ9 ±d （但し、１．７０≦ｘ≦２．５０，０．６０≦
ｙ≦１．２０，０≦ｄ≦１．００）である多結晶の層状
結晶構造酸化物を含む強誘電体膜に一対の電極が接続さ
れた強誘電体キャパシタを製造するものであって、層状
結晶構造酸化物を含む複数の層を積層して強誘電体膜を
形成すると共に、この強誘電体膜の形成に際しては、複
数の層のうちの少なくとも１層について第１の元素の組
成比が他の層と異なるように構成するものである。
は、ビスマスと、第１の元素としてのストロンチウム，
カルシウムおよびバリウムからなる群のうちの少なくと
も１種と、第２の元素としてのタンタルおよびニオブか
らなる群のうち少なくとも１種と、酸素とからなり、組
成式がＢｉx （Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）y （Ｔａ，Ｎｂ）2
Ｏ9 ±d （但し、１．７０≦ｘ≦２．５０，０．６０≦
ｙ≦１．２０，０≦ｄ≦１．００）である多結晶の層状
結晶構造酸化物を含む強誘電体膜に一対の電極が接続さ
れた強誘電体キャパシタを製造するものであって、層状
結晶構造酸化物を含む複数の層を積層して強誘電体膜を
形成すると共に、この強誘電体膜の形成に際しては、複
数の層のうちの少なくとも１層について第１の元素の組
成比が他の層と異なるように構成するものである。
【０００９】本発明のメモリセルは、強誘電体膜に一対
の電極が接続された強誘電体キャパシタを有するもので
あって、強誘電体膜は、ビスマスと、第１の元素として
のストロンチウム，カルシウムおよびバリウムからなる
群のうちの少なくとも１種と、第２の元素としてのタン
タルおよびニオブからなる群のうち少なくとも１種と、
酸素とからなる多結晶の層状結晶構造酸化物を含むと共
に、この層状結晶構造酸化物は組成式がＢｉx （Ｓｒ，
Ｃａ，Ｂａ）y （Ｔａ，Ｎｂ）2 Ｏ9 ±d （但し，１．
７０≦ｘ≦２．５０，０．６０≦ｙ≦１．２０，０≦ｄ
≦１．００）であり、かつ強誘電体膜において第１の元
素の組成比に変化を有するものである。
の電極が接続された強誘電体キャパシタを有するもので
あって、強誘電体膜は、ビスマスと、第１の元素として
のストロンチウム，カルシウムおよびバリウムからなる
群のうちの少なくとも１種と、第２の元素としてのタン
タルおよびニオブからなる群のうち少なくとも１種と、
酸素とからなる多結晶の層状結晶構造酸化物を含むと共
に、この層状結晶構造酸化物は組成式がＢｉx （Ｓｒ，
Ｃａ，Ｂａ）y （Ｔａ，Ｎｂ）2 Ｏ9 ±d （但し，１．
７０≦ｘ≦２．５０，０．６０≦ｙ≦１．２０，０≦ｄ
≦１．００）であり、かつ強誘電体膜において第１の元
素の組成比に変化を有するものである。
【００１０】本発明の強誘電体キャパシタでは、一対の
電極間に電圧が印加されると、強誘電体膜において分極
がおこる。なお、分極は強誘電体膜に含まれる層状結晶
構造酸化物の各結晶粒子のうち特定の配向を有する結晶
粒子でのみ生じる。ここでは、強誘電体膜における第１
の元素の組成比が変化しているので、優れた強誘電特性
を示すと共に、層状結晶構造酸化物の結晶粒子の大きさ
が小さくなる。よって、強誘電体膜が小型化されても優
れた強誘電特性を安定して示す。
電極間に電圧が印加されると、強誘電体膜において分極
がおこる。なお、分極は強誘電体膜に含まれる層状結晶
構造酸化物の各結晶粒子のうち特定の配向を有する結晶
粒子でのみ生じる。ここでは、強誘電体膜における第１
の元素の組成比が変化しているので、優れた強誘電特性
を示すと共に、層状結晶構造酸化物の結晶粒子の大きさ
が小さくなる。よって、強誘電体膜が小型化されても優
れた強誘電特性を安定して示す。
【００１１】本発明の強誘電体膜キャパシタの製造方法
では、層状結晶構造酸化物を含む複数の層を積層して強
誘電体膜を形成する。この時、複数の層のうちの少なく
とも１層については、第１の元素の組成比が他の層と異
なるように構成する。
では、層状結晶構造酸化物を含む複数の層を積層して強
誘電体膜を形成する。この時、複数の層のうちの少なく
とも１層については、第１の元素の組成比が他の層と異
なるように構成する。
【００１２】本発明のメモリセルでは、強誘電体キャパ
シタの一対の電極間に電圧が印加されると、強誘電体膜
を構成している層状結晶構造酸化物のうち特定の配向を
有する結晶粒子において分極がおこる。この電圧−分極
特性にはヒステリシスがあり、このヒステリシスを利用
してデータの記憶および読み出しが行われる。ここで
は、強誘電体膜おける第１の元素の組成比が変化してい
るので、優れた強誘電特性により良好な動作が得られる
と共に、強誘電体膜を構成している層状結晶構造酸化物
の結晶粒子の大きさが小さくなる。よって、素子の小型
化を図れる。
シタの一対の電極間に電圧が印加されると、強誘電体膜
を構成している層状結晶構造酸化物のうち特定の配向を
有する結晶粒子において分極がおこる。この電圧−分極
特性にはヒステリシスがあり、このヒステリシスを利用
してデータの記憶および読み出しが行われる。ここで
は、強誘電体膜おける第１の元素の組成比が変化してい
るので、優れた強誘電特性により良好な動作が得られる
と共に、強誘電体膜を構成している層状結晶構造酸化物
の結晶粒子の大きさが小さくなる。よって、素子の小型
化を図れる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
て図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】図１は、本発明の一実施の形態に係る強誘
電体キャパシタの概略構成を表すものである。この強誘
電体キャパシタは、例えばシリコン（Ｓｉ）よりなる基
板１１の上に、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）よりなる
拡散防止層１２および例えばチタン（Ｔｉ）よりなる接
合層１３を介して、下部電極１４，強誘電体膜１５およ
び上部電極１６が順次積層されている。すなわち、この
強誘電体キャパシタは強誘電体膜１５に一対の電極１
４，１６を接続したものである。
電体キャパシタの概略構成を表すものである。この強誘
電体キャパシタは、例えばシリコン（Ｓｉ）よりなる基
板１１の上に、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）よりなる
拡散防止層１２および例えばチタン（Ｔｉ）よりなる接
合層１３を介して、下部電極１４，強誘電体膜１５およ
び上部電極１６が順次積層されている。すなわち、この
強誘電体キャパシタは強誘電体膜１５に一対の電極１
４，１６を接続したものである。
【００１５】下部電極１４および上部電極１６は、例え
ば、白金（Ｐｔ），イリジウム（Ｉｒ），ルテニウム
（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ）あるいはパラジウム（Ｐ
ｄ）のいずれか１種、またはこれらの２種以上を含む合
金により構成されている。
ば、白金（Ｐｔ），イリジウム（Ｉｒ），ルテニウム
（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ）あるいはパラジウム（Ｐ
ｄ）のいずれか１種、またはこれらの２種以上を含む合
金により構成されている。
【００１６】強誘電体膜１５は、複数の層（図１におい
ては第１層１５ａ，第２層１５ｂ，第３層１５ｃの３
層）が積層された構造となっている。各層１５ａ，１５
ｂ，１５ｃは、強誘電性を示す多結晶の層状結晶構造酸
化物をそれぞれ含んでいる。ちなみに、各層１５ａ，１
５ｂ，１５ｃはそれぞれ８５％以上が層状結晶構造酸化
物の結晶相により構成されることが好ましく、少なくと
も強誘電体膜１５全体として８５％以上が層状結晶構造
酸化物の結晶相により構成されることが好ましい。良好
な強誘電特性を得るためである。
ては第１層１５ａ，第２層１５ｂ，第３層１５ｃの３
層）が積層された構造となっている。各層１５ａ，１５
ｂ，１５ｃは、強誘電性を示す多結晶の層状結晶構造酸
化物をそれぞれ含んでいる。ちなみに、各層１５ａ，１
５ｂ，１５ｃはそれぞれ８５％以上が層状結晶構造酸化
物の結晶相により構成されることが好ましく、少なくと
も強誘電体膜１５全体として８５％以上が層状結晶構造
酸化物の結晶相により構成されることが好ましい。良好
な強誘電特性を得るためである。
【００１７】なお、この層状結晶構造酸化物はビスマス
と第１の元素と第２の元素と酸素とからなっている。こ
こで、第１の元素はストロンチウム，カルシウムおよび
バリウムからなる群のうちの少なくとも１種であり、第
２の元素はタンタルおよびニオブからなる群のうち少な
くとも１種である。なお、第１の元素としてはストロン
チウムが最も好ましい。特に優れた強誘電特性を得るこ
とができるからである。
と第１の元素と第２の元素と酸素とからなっている。こ
こで、第１の元素はストロンチウム，カルシウムおよび
バリウムからなる群のうちの少なくとも１種であり、第
２の元素はタンタルおよびニオブからなる群のうち少な
くとも１種である。なお、第１の元素としてはストロン
チウムが最も好ましい。特に優れた強誘電特性を得るこ
とができるからである。
【００１８】層状結晶構造酸化物の組成式はＢｉx （Ｓ
ｒ，Ｃａ，Ｂａ）y （Ｔａ，Ｎｂ）2 Ｏ9 ±d で表され
る。但し，ｘ，ｙ，ｄは、それぞれ１．７０≦ｘ≦２．
５０，０．６０≦ｙ≦１．２０，０≦ｄ≦１．００の範
囲内の値である。なお、ｙについては０．７０≦ｙ≦
１．１０の範囲内の値が特に好ましい。この層状結晶構
造酸化物は組成と残留分極値との間に関係を有してお
り、これらの範囲内の組成において高い残留分極値を得
ることができる。層状結晶構造酸化物の結晶構造は、化
学量論的な組成において説明すると、［Ｂｉ2 Ｏ2 ］2+
に該当する層と、［（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）1 （Ｔａ，Ｎ
ｂ）2 Ｏ7 ］2-に該当する層とが交互に積層されたもの
となっている。
ｒ，Ｃａ，Ｂａ）y （Ｔａ，Ｎｂ）2 Ｏ9 ±d で表され
る。但し，ｘ，ｙ，ｄは、それぞれ１．７０≦ｘ≦２．
５０，０．６０≦ｙ≦１．２０，０≦ｄ≦１．００の範
囲内の値である。なお、ｙについては０．７０≦ｙ≦
１．１０の範囲内の値が特に好ましい。この層状結晶構
造酸化物は組成と残留分極値との間に関係を有してお
り、これらの範囲内の組成において高い残留分極値を得
ることができる。層状結晶構造酸化物の結晶構造は、化
学量論的な組成において説明すると、［Ｂｉ2 Ｏ2 ］2+
に該当する層と、［（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）1 （Ｔａ，Ｎ
ｂ）2 Ｏ7 ］2-に該当する層とが交互に積層されたもの
となっている。
【００１９】強誘電体膜１５の各層１５ａ，１５ｂ，１
５ｃは、また、互いにその組成が同一なわけではなく、
少なくとも１層については他の層と第１の元素の組成比
が異なっている。これにより、強誘電体膜１５全体とし
ては第１の元素の組成比が一方向（積層方向）に変化す
るようになっている。すなわち、強誘電体膜１５に含ま
れる層状結晶構造酸化物において第１の組成比が一方向
に変化するようになっている。このように第１の元素の
組成比に変化を持たせているのは、優れた強誘電性を保
持しつつ層状結晶構造酸化物の結晶粒子の大きさを小さ
くするためである。
５ｃは、また、互いにその組成が同一なわけではなく、
少なくとも１層については他の層と第１の元素の組成比
が異なっている。これにより、強誘電体膜１５全体とし
ては第１の元素の組成比が一方向（積層方向）に変化す
るようになっている。すなわち、強誘電体膜１５に含ま
れる層状結晶構造酸化物において第１の組成比が一方向
に変化するようになっている。このように第１の元素の
組成比に変化を持たせているのは、優れた強誘電性を保
持しつつ層状結晶構造酸化物の結晶粒子の大きさを小さ
くするためである。
【００２０】ここで、第１の元素の組成比は、強誘電体
膜１５の一方側から他方側に向かって大きくあるいは小
さくなるように変化していることが好ましい。例えば、
第２の元素を２としたときの第１の元素の組成比におい
て、小さい方の値は０．７から０．９の範囲内、大きい
方の値は０．９から１．１の範囲内が好ましい。すなわ
ち、層状結晶構造酸化物の組成式におけるｙの値で、小
さい方は０．７から０．９の範囲内、大きい方は０．９
から１．１の範囲内が好ましい。なお、第１の元素の組
成比はその他任意の形で変化していてもよく、例えば中
央付近が大きくまたは小さくなるように変化していても
よい。
膜１５の一方側から他方側に向かって大きくあるいは小
さくなるように変化していることが好ましい。例えば、
第２の元素を２としたときの第１の元素の組成比におい
て、小さい方の値は０．７から０．９の範囲内、大きい
方の値は０．９から１．１の範囲内が好ましい。すなわ
ち、層状結晶構造酸化物の組成式におけるｙの値で、小
さい方は０．７から０．９の範囲内、大きい方は０．９
から１．１の範囲内が好ましい。なお、第１の元素の組
成比はその他任意の形で変化していてもよく、例えば中
央付近が大きくまたは小さくなるように変化していても
よい。
【００２１】このような構成を有する強誘電体キャパシ
タは次のように作用する。
タは次のように作用する。
【００２２】この強誘電体キャパシタでは、上部電極１
６と下部電極１４との間に電圧が印加されると、強誘電
体膜１６において分極がおこる。なお、分極は強誘電体
膜１５に含まれる層状結晶構造酸化物の全ての結晶粒子
で生じるわけではなく、特定の配向を有する結晶粒子で
のみ生じる。すなわち、層状結晶構造酸化物の結晶粒子
の大きさが小さく、強誘電体膜１５中に数多く存在した
方が安定した強誘電特性を得ることができる。ここで
は、強誘電体膜１５において第１の元素の組成比が変化
しているので、優れた強誘電特性を示すと共に、層状結
晶構造酸化物の結晶粒子の大きさが小さくなる。よっ
て、この強誘電体キャパシタは小型化されても優れた強
誘電特性を安定して示す。
６と下部電極１４との間に電圧が印加されると、強誘電
体膜１６において分極がおこる。なお、分極は強誘電体
膜１５に含まれる層状結晶構造酸化物の全ての結晶粒子
で生じるわけではなく、特定の配向を有する結晶粒子で
のみ生じる。すなわち、層状結晶構造酸化物の結晶粒子
の大きさが小さく、強誘電体膜１５中に数多く存在した
方が安定した強誘電特性を得ることができる。ここで
は、強誘電体膜１５において第１の元素の組成比が変化
しているので、優れた強誘電特性を示すと共に、層状結
晶構造酸化物の結晶粒子の大きさが小さくなる。よっ
て、この強誘電体キャパシタは小型化されても優れた強
誘電特性を安定して示す。
【００２３】このように本実施の形態に係る強誘電体キ
ャパシタによれば、強誘電体膜１５における第１の元素
の組成比に変化を有するようにしたので、従来と同程度
の優れた強誘電特性を保持しつつ結晶粒子の大きさを小
さくすることができる。よって、小型化しても優れた強
誘電特性を安定して得ることができる。
ャパシタによれば、強誘電体膜１５における第１の元素
の組成比に変化を有するようにしたので、従来と同程度
の優れた強誘電特性を保持しつつ結晶粒子の大きさを小
さくすることができる。よって、小型化しても優れた強
誘電特性を安定して得ることができる。
【００２４】このような強誘電体キャパシタは、次のよ
うにして製造することができる。
うにして製造することができる。
【００２５】まず、例えばシリコンよりなる基板１１を
用意し、表面の酸化膜を除去したのち、その上に拡散防
止層１２として例えば熱酸化により二酸化珪素膜を形成
する。次いで、その上に接合層１３として例えばスパッ
タリング法によりチタン膜を蒸着し、その上に下部電極
１４として例えばスパッタリング法により白金膜を蒸着
する。
用意し、表面の酸化膜を除去したのち、その上に拡散防
止層１２として例えば熱酸化により二酸化珪素膜を形成
する。次いで、その上に接合層１３として例えばスパッ
タリング法によりチタン膜を蒸着し、その上に下部電極
１４として例えばスパッタリング法により白金膜を蒸着
する。
【００２６】続いて、この下部電極１４の上に、強誘電
体膜１５として、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Depos
ition ）法やレーザーアブレーション法やゾル・ゲル法
やＭＯＤ（Metal Organic Decomposition ）法により、
多結晶の層状結晶構造酸化物を含む複数の層（すなわち
第１層１５ａ，第２層１５ｂ，第３層１５ｃ）を順次積
層する。この際、各層のうちの少なくとも１層について
は第１の元素の組成比が他の層と異なるように構成す
る。例えば、基板側の層（第１層１５ａ）について第１
の元素の組成比を他の層よりも大きくあるいは小さくし
たり、基板側の層から反対側の層に向かって第１の元素
の組成比を徐々に大きくあるいは小さくしたり、反対側
の層（第１層１５ｃ）について第１の元素の組成比を他
の層よりも大きくあるいは小さくしたりする。
体膜１５として、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Depos
ition ）法やレーザーアブレーション法やゾル・ゲル法
やＭＯＤ（Metal Organic Decomposition ）法により、
多結晶の層状結晶構造酸化物を含む複数の層（すなわち
第１層１５ａ，第２層１５ｂ，第３層１５ｃ）を順次積
層する。この際、各層のうちの少なくとも１層について
は第１の元素の組成比が他の層と異なるように構成す
る。例えば、基板側の層（第１層１５ａ）について第１
の元素の組成比を他の層よりも大きくあるいは小さくし
たり、基板側の層から反対側の層に向かって第１の元素
の組成比を徐々に大きくあるいは小さくしたり、反対側
の層（第１層１５ｃ）について第１の元素の組成比を他
の層よりも大きくあるいは小さくしたりする。
【００２７】このようにして強誘電体膜１５を形成した
のち、その上に、上部電極１６として例えばスパッタリ
ング法により白金膜を蒸着する。そののち、例えばイオ
ンミリング法により適宜エッチングを行い図１に示した
強誘電体キャパシタ構造を完成させる。
のち、その上に、上部電極１６として例えばスパッタリ
ング法により白金膜を蒸着する。そののち、例えばイオ
ンミリング法により適宜エッチングを行い図１に示した
強誘電体キャパシタ構造を完成させる。
【００２８】このように本実施の形態に係る強誘電体キ
ャパシタの製造方法によれば、強誘電体膜１５を複数の
層に分けて形成すると共に、その際、少なくとも１層に
ついて第１の元素の組成比を他の層と異ならせて構成す
るようにしたので、強誘電体膜１５における第１の元素
の組成比を容易に変化させることができる。よって、強
誘電性に優れかつ結晶粒子の大きさが十分に小さい強誘
電体膜１５を得ることができ、本実施の形態に係る強誘
電体キャパシタを実現することができる。
ャパシタの製造方法によれば、強誘電体膜１５を複数の
層に分けて形成すると共に、その際、少なくとも１層に
ついて第１の元素の組成比を他の層と異ならせて構成す
るようにしたので、強誘電体膜１５における第１の元素
の組成比を容易に変化させることができる。よって、強
誘電性に優れかつ結晶粒子の大きさが十分に小さい強誘
電体膜１５を得ることができ、本実施の形態に係る強誘
電体キャパシタを実現することができる。
【００２９】なお、本実施の形態に係る強誘電体キャパ
シタは、例えば、メモリセルの一部として次のように用
いることができる。
シタは、例えば、メモリセルの一部として次のように用
いることができる。
【００３０】図２は強誘電体キャパシタを用いたメモリ
セルの具体的な構造の一例を表したものである。このメ
モリセルは、本実施の形態に係る強誘電体キャパシタ１
０と、スイッチング用のトランジスタ２０とから構成さ
れている。トランジスタ２０は、例えばｐ型シリコンよ
りなる基板１１の表面に間隔を開けて形成されたｎ+層
よりなるソース領域２１とｎ+ 層よりなるドレイン領域
２２とを有している。ソース領域２１とドレイン領域２
２との間の基板１１の上には、ゲート絶縁膜２３を介し
てワード線としてのゲート電極２４が形成されている。
なお、トランジスタ２０の周りには、基板１１の表面に
素子分離用のフィールド酸化膜３１が形成されている。
セルの具体的な構造の一例を表したものである。このメ
モリセルは、本実施の形態に係る強誘電体キャパシタ１
０と、スイッチング用のトランジスタ２０とから構成さ
れている。トランジスタ２０は、例えばｐ型シリコンよ
りなる基板１１の表面に間隔を開けて形成されたｎ+層
よりなるソース領域２１とｎ+ 層よりなるドレイン領域
２２とを有している。ソース領域２１とドレイン領域２
２との間の基板１１の上には、ゲート絶縁膜２３を介し
てワード線としてのゲート電極２４が形成されている。
なお、トランジスタ２０の周りには、基板１１の表面に
素子分離用のフィールド酸化膜３１が形成されている。
【００３１】トランジスタ２０の上には、層間絶縁膜３
２を介して強誘電体キャパシタ１０が形成されている。
すなわち、層間絶縁膜３２を介して拡散防止層１２，接
合層１３，下部電極１４，強誘電体膜１５および上部電
極１６が順次積層されている。トランジスタ２０のソー
ス領域２１と強誘電体キャパシ１０の拡散防止層１２と
は、層間絶縁膜３２に設けられたコンタクトホール３２
ａを介して電気的に接続されている。コンタクトホール
３２ａには、例えば多結晶シリコンまたはタングステン
（Ｗ）により形成されたプラグ層３３が埋め込まれい
る。
２を介して強誘電体キャパシタ１０が形成されている。
すなわち、層間絶縁膜３２を介して拡散防止層１２，接
合層１３，下部電極１４，強誘電体膜１５および上部電
極１６が順次積層されている。トランジスタ２０のソー
ス領域２１と強誘電体キャパシ１０の拡散防止層１２と
は、層間絶縁膜３２に設けられたコンタクトホール３２
ａを介して電気的に接続されている。コンタクトホール
３２ａには、例えば多結晶シリコンまたはタングステン
（Ｗ）により形成されたプラグ層３３が埋め込まれい
る。
【００３２】このメモリセルは次のように作用する。
【００３３】このメモリセルでは、トランジスタ２０の
ゲート電極２４に電圧が加えられると、トランジスタ２
０のスイッチが“オン”となり、ソース領域２１とドレ
イン領域２２との間に電流が流れる。これにより、プラ
グ層３３を介して強誘電体キャパシタ１０に電流が流
れ、上部電極１６と下部電極１４の間に電圧が加えられ
る。強誘電体キャパシタ１０では、電圧が加えられる
と、強誘電体膜１５に含まれる層状結晶構造酸化物のう
ち特定の配向を有する結晶粒子において分極がおこる。
この電圧−分極特性にはヒステリシスがあることから、
このヒステリシスを利用して“１”または“０”のデー
タの記憶あるいは読み出しが行なわれる。ここでは、強
誘電体キャパシタ１０に本実施の形態に係る強誘電体キ
ャパシタを用いているので、強誘電特性に優れ良好な動
作が得られると共に、強誘電体膜１５に含まれる層状結
晶構造酸化物の結晶粒子の大きさが小さくなる。よっ
て、素子が小型化されても良好な動作を安定して得られ
る。
ゲート電極２４に電圧が加えられると、トランジスタ２
０のスイッチが“オン”となり、ソース領域２１とドレ
イン領域２２との間に電流が流れる。これにより、プラ
グ層３３を介して強誘電体キャパシタ１０に電流が流
れ、上部電極１６と下部電極１４の間に電圧が加えられ
る。強誘電体キャパシタ１０では、電圧が加えられる
と、強誘電体膜１５に含まれる層状結晶構造酸化物のう
ち特定の配向を有する結晶粒子において分極がおこる。
この電圧−分極特性にはヒステリシスがあることから、
このヒステリシスを利用して“１”または“０”のデー
タの記憶あるいは読み出しが行なわれる。ここでは、強
誘電体キャパシタ１０に本実施の形態に係る強誘電体キ
ャパシタを用いているので、強誘電特性に優れ良好な動
作が得られると共に、強誘電体膜１５に含まれる層状結
晶構造酸化物の結晶粒子の大きさが小さくなる。よっ
て、素子が小型化されても良好な動作を安定して得られ
る。
【００３４】このように本実施の形態に係る強誘電体キ
ャパシタを用いたメモリセルによれば、優れた強誘電特
性が得られると共に強誘電体膜１５における層状結晶構
造酸化物の結晶粒子の大きさが小さくなるので、素子を
小型化しても良好な動作が安定して得られ、素子の高密
度化、高集積化を図ることができる。
ャパシタを用いたメモリセルによれば、優れた強誘電特
性が得られると共に強誘電体膜１５における層状結晶構
造酸化物の結晶粒子の大きさが小さくなるので、素子を
小型化しても良好な動作が安定して得られ、素子の高密
度化、高集積化を図ることができる。
【００３５】
【実施例】更に、本発明の具体的な実施例について説明
する。なお、ここでは、層状結晶構造酸化物としてＢｉ
x Ｓｒy Ｔａ2 Ｏ9 ±d を用い、ストロンチウムの組成
比種々を変化させて行った３種類の実施例について説明
する。
する。なお、ここでは、層状結晶構造酸化物としてＢｉ
x Ｓｒy Ｔａ2 Ｏ9 ±d を用い、ストロンチウムの組成
比種々を変化させて行った３種類の実施例について説明
する。
【００３６】まず、各実施例とも、シリコンよりなる基
板１１をそれぞれ用意し、表面酸化膜をそれぞれ除去し
たのち、その表面に、熱酸化により膜厚３００ｎｍの二
酸化シリコン膜を成膜して拡散防止層１２をそれぞれ形
成した。次いで、各実施例とも、この拡散防止層１２の
上に、スパッタリング法により膜厚３０ｎｍのチタン膜
を蒸着して接合層１３をそれぞれ形成したのち、その上
に、同じくスパッタリング法により膜厚２００ｎｍの白
金膜を成膜して下部電極１４をそれぞれ形成した。
板１１をそれぞれ用意し、表面酸化膜をそれぞれ除去し
たのち、その表面に、熱酸化により膜厚３００ｎｍの二
酸化シリコン膜を成膜して拡散防止層１２をそれぞれ形
成した。次いで、各実施例とも、この拡散防止層１２の
上に、スパッタリング法により膜厚３０ｎｍのチタン膜
を蒸着して接合層１３をそれぞれ形成したのち、その上
に、同じくスパッタリング法により膜厚２００ｎｍの白
金膜を成膜して下部電極１４をそれぞれ形成した。
【００３７】続いて、各実施例とも、この下部電極１４
の上に、膜厚６０ｎｍのＢｉx Ｓｒy Ｔａ2 Ｏ9 ±d を
含む層を３層（第１層１５ａ，第２層１５ｂ，第３層１
５ｃ）積層し、強誘電体膜１５をそれぞれ形成した。こ
こで、各層１５ａ，１５ｂ，１５ｃの形成はゾル・ゲル
法を用い、具体的には次のようにして行った。
の上に、膜厚６０ｎｍのＢｉx Ｓｒy Ｔａ2 Ｏ9 ±d を
含む層を３層（第１層１５ａ，第２層１５ｂ，第３層１
５ｃ）積層し、強誘電体膜１５をそれぞれ形成した。こ
こで、各層１５ａ，１５ｂ，１５ｃの形成はゾル・ゲル
法を用い、具体的には次のようにして行った。
【００３８】すなわち、まず、下部電極１４の上に第１
層１５ａの原料溶液を回転塗布して塗膜を成膜したの
ち、この塗膜を乾燥させ、酸素雰囲気中において６００
〜８００℃の温度で３０秒間加熱してＲＴＡ（Rapid Th
ermal Annealing)処理を行った。次いで、その上に第２
層１５ｂの原料溶液を同様にして回転塗布したのち、乾
燥させ、ＲＴＡ処理を行った。続いて、その上に第３層
１５ｃの原料溶液を同様にして回転塗布したのち、乾燥
させ、ＲＴＡ処理を行った。そののち、酸素雰囲気中に
おいて８００℃で１時間加熱して各塗膜の結晶化を促進
させ、各層１５ａ，１５ｂ，１５ｃを形成した。
層１５ａの原料溶液を回転塗布して塗膜を成膜したの
ち、この塗膜を乾燥させ、酸素雰囲気中において６００
〜８００℃の温度で３０秒間加熱してＲＴＡ（Rapid Th
ermal Annealing)処理を行った。次いで、その上に第２
層１５ｂの原料溶液を同様にして回転塗布したのち、乾
燥させ、ＲＴＡ処理を行った。続いて、その上に第３層
１５ｃの原料溶液を同様にして回転塗布したのち、乾燥
させ、ＲＴＡ処理を行った。そののち、酸素雰囲気中に
おいて８００℃で１時間加熱して各塗膜の結晶化を促進
させ、各層１５ａ，１５ｂ，１５ｃを形成した。
【００３９】なお、ここで用いた各原料溶液はそれぞれ
１０％のゾル・ゲル溶液であり、各原料溶液の組成比は
各実施例において表１に示したようにそれぞれ変化させ
た。実施例１では、原料溶液におけるストロンチウムの
組成比を第１層についてのみ０．８と他の層の１．０よ
りも小さくし、強誘電体膜１５におけるストロンチウム
の組成比が基板１１側で小さくなるようにした。実施例
２では、原料溶液におけるストロンチウムの組成比を第
３層についてのみ０．８と他の層の１．０よりも小さく
し、強誘電体膜１５におけるストロンチウムの組成比が
基板１１と反対側で小さくなるようにした。実施例３で
は、原料溶液におけるストロンチウムの組成比を第１層
についてのみ１．０と他の層の０．９よりも大きくし、
強誘電体膜１５におけるストロンチウムの組成比が基板
１１側で大きくなるようにした。なお、各実施例とも各
層においてビスマスの組成比は２．４、タンタルの組成
比は２．０と一定にした。
１０％のゾル・ゲル溶液であり、各原料溶液の組成比は
各実施例において表１に示したようにそれぞれ変化させ
た。実施例１では、原料溶液におけるストロンチウムの
組成比を第１層についてのみ０．８と他の層の１．０よ
りも小さくし、強誘電体膜１５におけるストロンチウム
の組成比が基板１１側で小さくなるようにした。実施例
２では、原料溶液におけるストロンチウムの組成比を第
３層についてのみ０．８と他の層の１．０よりも小さく
し、強誘電体膜１５におけるストロンチウムの組成比が
基板１１と反対側で小さくなるようにした。実施例３で
は、原料溶液におけるストロンチウムの組成比を第１層
についてのみ１．０と他の層の０．９よりも大きくし、
強誘電体膜１５におけるストロンチウムの組成比が基板
１１側で大きくなるようにした。なお、各実施例とも各
層においてビスマスの組成比は２．４、タンタルの組成
比は２．０と一定にした。
【００４０】
【表１】
【００４１】このようにして強誘電体膜１５をそれぞれ
形成したのち、各実施例とも、スパッタリング法により
膜厚２００ｎｍの白金膜を成膜して上部電極１６をそれ
ぞれ形成した。そののち、イオンミリング法を用いてエ
ッチングを行い強誘電体キャパシタをそれぞれ完成させ
た。
形成したのち、各実施例とも、スパッタリング法により
膜厚２００ｎｍの白金膜を成膜して上部電極１６をそれ
ぞれ形成した。そののち、イオンミリング法を用いてエ
ッチングを行い強誘電体キャパシタをそれぞれ完成させ
た。
【００４２】このようにして得られた各強誘電体キャパ
シタに関し、強誘電体膜１５において各層１５ａ，１５
ｂ，１５ｃの積層方向にストロンチウムの組成比が変化
しているか否かを確認した。分析は二次イオン質量分析
法（ＳＩＭＳ；Secondary Ion Mass Spectrometry ）に
より行った。図３に実施例１に関する結果を示す。な
お、図３において深さ０．１２〜０．１８μｍの付近は
第１層１５ａに該当し、０．０６〜０．１２μｍの付近
は第２層１５ｂに該当し、０〜０．０６μｍの付近は第
３層に該当している。この結果からも分かるように、第
１層１５ａにおけるストロンチウムの組成比は他の層１
５ｂ，１５ｃよりも小さくなっており、原料溶液におけ
る組成比の変化と同様に変化していた。なお、実施例２
および実施例３については図示しないが、原料溶液と同
様にそれぞれ変化していた。
シタに関し、強誘電体膜１５において各層１５ａ，１５
ｂ，１５ｃの積層方向にストロンチウムの組成比が変化
しているか否かを確認した。分析は二次イオン質量分析
法（ＳＩＭＳ；Secondary Ion Mass Spectrometry ）に
より行った。図３に実施例１に関する結果を示す。な
お、図３において深さ０．１２〜０．１８μｍの付近は
第１層１５ａに該当し、０．０６〜０．１２μｍの付近
は第２層１５ｂに該当し、０〜０．０６μｍの付近は第
３層に該当している。この結果からも分かるように、第
１層１５ａにおけるストロンチウムの組成比は他の層１
５ｂ，１５ｃよりも小さくなっており、原料溶液におけ
る組成比の変化と同様に変化していた。なお、実施例２
および実施例３については図示しないが、原料溶液と同
様にそれぞれ変化していた。
【００４３】また、得られた各強誘電体キャパシタにつ
いて、強誘電性ヒステリシスおよび強誘電体膜１５に含
まれる結晶粒子（Ｂｉx Ｓｒy Ｔａ2 Ｏ9 ±d の結晶粒
子）の大きさの観測をそれぞれ行った。強誘電性ヒステ
リシスは、上部電極１６と下部電極１４との間に５Ｖの
電圧を印加してそれぞれ観測した。また、結晶粒子の大
きさは走査電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Mi
croscope）により観測し、結晶粒子の表面積について平
均値をそれぞれ算出した。それらの結果を図４〜図６お
よび表１に示す。
いて、強誘電性ヒステリシスおよび強誘電体膜１５に含
まれる結晶粒子（Ｂｉx Ｓｒy Ｔａ2 Ｏ9 ±d の結晶粒
子）の大きさの観測をそれぞれ行った。強誘電性ヒステ
リシスは、上部電極１６と下部電極１４との間に５Ｖの
電圧を印加してそれぞれ観測した。また、結晶粒子の大
きさは走査電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Mi
croscope）により観測し、結晶粒子の表面積について平
均値をそれぞれ算出した。それらの結果を図４〜図６お
よび表１に示す。
【００４４】図４，図５および図６はそれぞれ、実施例
１，実施例２および実施例３によりそれぞれ得られた強
誘電体キャパシタの強誘電性ヒステリシス曲線をそれぞ
れ表すものである。これらの強誘電性ヒステリシス曲線
から残留分極値（２Ｐｒ）をそれぞれ求めたところ、実
施例１については２０．０μＣ／ｃｍ2 、実施例２につ
いては１３．０μＣ／ｃｍ2 、実施例３については１
８．０μＣ／ｃｍ2 であった（表１参照）。
１，実施例２および実施例３によりそれぞれ得られた強
誘電体キャパシタの強誘電性ヒステリシス曲線をそれぞ
れ表すものである。これらの強誘電性ヒステリシス曲線
から残留分極値（２Ｐｒ）をそれぞれ求めたところ、実
施例１については２０．０μＣ／ｃｍ2 、実施例２につ
いては１３．０μＣ／ｃｍ2 、実施例３については１
８．０μＣ／ｃｍ2 であった（表１参照）。
【００４５】一方、結晶粒子の大きさ（平均表面積）
は、実施例１については０．０１５μｍ2 、実施例２に
ついては０．０２６μｍ2 、実施例３については０．０
２１μｍ2 であった。
は、実施例１については０．０１５μｍ2 、実施例２に
ついては０．０２６μｍ2 、実施例３については０．０
２１μｍ2 であった。
【００４６】なお、本実施例に対する比較例として、従
来の強誘電体キャパシタについて強誘電体膜におけるス
トロンチウムの組成比と残留分極値（２Ｐｒ）と結晶粒
子の大きさとの関係を、図７および図８および表２にそ
れぞれ示す。ちなみに、この比較例で用いた強誘電体キ
ャパシタは、強誘電体膜におけるストロンチウムの組成
比が均一であることを除き、本実施例と同一の構成を有
したものである。
来の強誘電体キャパシタについて強誘電体膜におけるス
トロンチウムの組成比と残留分極値（２Ｐｒ）と結晶粒
子の大きさとの関係を、図７および図８および表２にそ
れぞれ示す。ちなみに、この比較例で用いた強誘電体キ
ャパシタは、強誘電体膜におけるストロンチウムの組成
比が均一であることを除き、本実施例と同一の構成を有
したものである。
【００４７】
【表２】
【００４８】このように従来の強誘電体キャパシタで
は、図７から分かるように、ストロンチウムの組成比が
０．８の時に残留分極値（２Ｐｒ）が最も大きくなり、
ストロンチウムの組成比が０．８から化学量論的な組成
の１に近づくにつれ残留分極値（２Ｐｒ）が小さくな
る。また、図８から分かるように、ストロンチウムの組
成比が０．８から化学量論的な組成の１に近づくにつれ
結晶粒子の表面積が小さくなる。すなわち、従来の強誘
電体キャパシタでは、ストロンチウムの組成比を０．８
から１に近づけると、結晶粒子の表面積は小さくなるが
残留分極値（２Ｐｒ）も小さくなってしまうという関係
があった（表２参照）。
は、図７から分かるように、ストロンチウムの組成比が
０．８の時に残留分極値（２Ｐｒ）が最も大きくなり、
ストロンチウムの組成比が０．８から化学量論的な組成
の１に近づくにつれ残留分極値（２Ｐｒ）が小さくな
る。また、図８から分かるように、ストロンチウムの組
成比が０．８から化学量論的な組成の１に近づくにつれ
結晶粒子の表面積が小さくなる。すなわち、従来の強誘
電体キャパシタでは、ストロンチウムの組成比を０．８
から１に近づけると、結晶粒子の表面積は小さくなるが
残留分極値（２Ｐｒ）も小さくなってしまうという関係
があった（表２参照）。
【００４９】これに対して、本実施例の強誘電体キャパ
シタよれば、結晶粒子の表面積が小さくなるほど残留分
極値（２Ｐｒ）が大きくなることが分かる（表１参
照）。特に、実施例１によれば、残留分極値（２Ｐｒ）
について従来の強誘電体キャパシタで得ることができる
程度の高い値を保持しつつ、結晶粒子の大きさを十分に
小さくすることができる。すなわち、強誘電体膜１５に
おけるストロンチウムに変化を持たせることにより、優
れた強誘電特性を保持しつつ結晶粒子の大きさを小さく
できることが分かる。
シタよれば、結晶粒子の表面積が小さくなるほど残留分
極値（２Ｐｒ）が大きくなることが分かる（表１参
照）。特に、実施例１によれば、残留分極値（２Ｐｒ）
について従来の強誘電体キャパシタで得ることができる
程度の高い値を保持しつつ、結晶粒子の大きさを十分に
小さくすることができる。すなわち、強誘電体膜１５に
おけるストロンチウムに変化を持たせることにより、優
れた強誘電特性を保持しつつ結晶粒子の大きさを小さく
できることが分かる。
【００５０】以上、実施の形態および実施例を挙げて本
発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態および
実施例に限定されるものではなく、その均等の範囲内で
種々変形可能である。例えば、上記実施例においては、
強誘電体膜１５に含まれる層状結晶構造酸化物としてＢ
ｉx Ｓｒy Ｔａ2 Ｏ9 ±d を用いた場合について説明し
たが、ビスマスと第１の元素と第２の元素と酸素とから
なるその他の層状結晶構造酸化物（第１の元素はストロ
ンチウム，カルシウムおよびバリウムからなる群のうち
の少なくとも１種，第２の元素はタンタルおよびニオブ
からなる群のうちの少なくとも１種）を用いても同様の
結果を得ることができる。
発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態および
実施例に限定されるものではなく、その均等の範囲内で
種々変形可能である。例えば、上記実施例においては、
強誘電体膜１５に含まれる層状結晶構造酸化物としてＢ
ｉx Ｓｒy Ｔａ2 Ｏ9 ±d を用いた場合について説明し
たが、ビスマスと第１の元素と第２の元素と酸素とから
なるその他の層状結晶構造酸化物（第１の元素はストロ
ンチウム，カルシウムおよびバリウムからなる群のうち
の少なくとも１種，第２の元素はタンタルおよびニオブ
からなる群のうちの少なくとも１種）を用いても同様の
結果を得ることができる。
【００５１】また、上記実施の形態においては、強誘電
体キャパシタを用いたメモリセルについて具体的に例を
挙げて説明したが、本発明の強誘電体キャパシタは、そ
の他の種々の構成を有するメモリセルに対しても用いる
ことができる。例えば、上記実施の形態においては、基
板１１に対して垂直方向に強誘電体キャパシタ１０とト
ランジスタ２０とが形成されているメモリセルについて
説明したが、基板に対して平行方向に強誘電体キャパシ
タとトランジスタとが並べて形成されているメモリセル
についても同様に用いることができる。
体キャパシタを用いたメモリセルについて具体的に例を
挙げて説明したが、本発明の強誘電体キャパシタは、そ
の他の種々の構成を有するメモリセルに対しても用いる
ことができる。例えば、上記実施の形態においては、基
板１１に対して垂直方向に強誘電体キャパシタ１０とト
ランジスタ２０とが形成されているメモリセルについて
説明したが、基板に対して平行方向に強誘電体キャパシ
タとトランジスタとが並べて形成されているメモリセル
についても同様に用いることができる。
【００５２】更に、上記実施の形態においては、本発明
の強誘電体キャパシタを１つのメモリセルに用いた場合
について説明したが、本発明は、複数のメモリセルを集
積したＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）メモ
リについても同様に適用することができる。
の強誘電体キャパシタを１つのメモリセルに用いた場合
について説明したが、本発明は、複数のメモリセルを集
積したＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）メモ
リについても同様に適用することができる。
【００５３】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る強誘電
体キャパシタによれば、強誘電体膜において第１の元素
の組成比に変化を持たせるようにしたので、優れた強誘
電性を保持しつつ結晶粒子の大きさを小さくすることが
できる。よって、小型化しても優れた強誘電特性を安定
して得ることができるという効果を奏する。
体キャパシタによれば、強誘電体膜において第１の元素
の組成比に変化を持たせるようにしたので、優れた強誘
電性を保持しつつ結晶粒子の大きさを小さくすることが
できる。よって、小型化しても優れた強誘電特性を安定
して得ることができるという効果を奏する。
【００５４】また、本発明に係る強誘電体キャパシタの
製造方法によれば、強誘電体膜を複数の層に分けて形成
すると共に、その際、少なくとも１層について第１の元
素の組成比を他の層と異ならせて構成するようにしたの
で、強誘電体膜における第１の元素の組成比を容易に変
化させることができる。よって、強誘電性に優れかつ結
晶粒子の大きさが十分に小さい強誘電体膜を得ることが
でき、本発明の強誘電体キャパシタを実現することがで
きるという効果を奏する。
製造方法によれば、強誘電体膜を複数の層に分けて形成
すると共に、その際、少なくとも１層について第１の元
素の組成比を他の層と異ならせて構成するようにしたの
で、強誘電体膜における第１の元素の組成比を容易に変
化させることができる。よって、強誘電性に優れかつ結
晶粒子の大きさが十分に小さい強誘電体膜を得ることが
でき、本発明の強誘電体キャパシタを実現することがで
きるという効果を奏する。
【００５５】更に、本発明に係るメモリセルによれば、
強誘電体膜において第１の元素の組成比に変化を有する
強誘電体キャパシタを用いるようにしたので、優れた強
誘電特性により良好な動作が得られると共に、強誘電体
膜における層状結晶構造酸化物の結晶粒子の大きさが小
さくなる。よって、素子を小型化しても良好な動作を安
定して得ることができ、素子の高密度化、高集積化を図
ることができるという効果を奏する。
強誘電体膜において第１の元素の組成比に変化を有する
強誘電体キャパシタを用いるようにしたので、優れた強
誘電特性により良好な動作が得られると共に、強誘電体
膜における層状結晶構造酸化物の結晶粒子の大きさが小
さくなる。よって、素子を小型化しても良好な動作を安
定して得ることができ、素子の高密度化、高集積化を図
ることができるという効果を奏する。
【図１】本発明の一実施の形態に係る強誘電体キャパシ
タの概略構成を表す断面図である。
タの概略構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した強誘電体キャパシタを用いたメモ
リセルの構成を表す断面図である。
リセルの構成を表す断面図である。
【図３】本発明の実施例１により得られた強誘電体膜の
組成を表す特性図であり、各元素の二次イオン強度を表
している。
組成を表す特性図であり、各元素の二次イオン強度を表
している。
【図４】本発明の実施例１により得られた強誘電体キャ
パシタの強誘電性ヒステリシス曲線を表す特性図であ
る。
パシタの強誘電性ヒステリシス曲線を表す特性図であ
る。
【図５】本発明の実施例２により得られた強誘電体キャ
パシタの強誘電性ヒステリシス曲線を表す特性図であ
る。
パシタの強誘電性ヒステリシス曲線を表す特性図であ
る。
【図６】本発明の実施例３により得られた強誘電体キャ
パシタの強誘電性ヒステリシス曲線を表す特性図であ
る。
パシタの強誘電性ヒステリシス曲線を表す特性図であ
る。
【図７】本発明の実施例に対して行った比較例に関する
特性図であり、強誘電体膜におけるストロンチウムの組
成と残留分極値との関係を表している。
特性図であり、強誘電体膜におけるストロンチウムの組
成と残留分極値との関係を表している。
【図８】本発明の実施例に対して行った比較例に関する
特性図であり、強誘電体膜におけるストロンチウムの組
成と結晶粒子の表面積との関係を表している。
特性図であり、強誘電体膜におけるストロンチウムの組
成と結晶粒子の表面積との関係を表している。
１１…基板、１２…拡散防止層、１３…接合層、１４…
下部電極、１５…強誘電体膜、１５ａ…第１層、１５ｂ
…第２層、１５ｃ…第３層、１６…上部電極、２０…ト
ランジスタ、２１…ソース領域、２２…ドレイン領域、
２３…ゲート酸化膜、２４…ゲート電極、３１…フィー
ルド酸化膜、３２…層間絶縁膜、３２ａ…コンタクトホ
ール、３３…プラグ層
下部電極、１５…強誘電体膜、１５ａ…第１層、１５ｂ
…第２層、１５ｃ…第３層、１６…上部電極、２０…ト
ランジスタ、２１…ソース領域、２２…ドレイン領域、
２３…ゲート酸化膜、２４…ゲート電極、３１…フィー
ルド酸化膜、３２…層間絶縁膜、３２ａ…コンタクトホ
ール、３３…プラグ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 27/04 27/108 29/788 29/792 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 27/10 H01L 21/316 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 21/8247 H01L 27/04 H01L 27/108 H01L 29/788 H01L 29/792
Claims (10)
- 【請求項１】 強誘電体膜に一対の電極を接続した強誘
電体キャパシタであって、 前記強誘電体膜は、ビスマス（Ｂｉ）と、第１の元素と
してのストロンチウム（Ｓｒ），カルシウム（Ｃａ）お
よびバリウム（Ｂａ）からなる群のうちの少なくとも１
種と、第２の元素としてのタンタル（Ｔａ）およびニオ
ブ（Ｎｂ）からなる群のうち少なくとも１種と、酸素
（Ｏ）とからなる多結晶の層状結晶構造酸化物を含むと
共に、この層状結晶構造酸化物は組成式がＢｉx （Ｓ
ｒ，Ｃａ，Ｂａ）y （Ｔａ，Ｎｂ）2 Ｏ9 ±d （但し、
１．７０≦ｘ≦２．５０，０．６０≦ｙ≦１．２０，０
≦ｄ≦１．００）であり、かつ前記強誘電体膜において
第１の元素の組成比に変化を有することを特徴とする強
誘電体キャパシタ。 - 【請求項２】 前記第１の元素の組成比は、一方向にお
いて一方側から他方側に向かって大きくまたは小さくな
るように変化していることを特徴とする請求項１記載の
強誘電体キャパシタ。 - 【請求項３】 基板の上に前記強誘電体膜を形成した強
誘電体キャパシタであって、 前記第１の元素の組成比は、基板側から反対側に向かっ
て大きくなるように変化していることを特徴とする請求
項２記載の強誘電体キャパシタ。 - 【請求項４】 前記第１の元素の組成比は、前記組成式
におけるｙの値に関し基板側が０．７から０．９の範囲
内の値であり反対側が０．９から１．１の範囲内の値で
あることを特徴とする請求項３記載の強誘電体キャパシ
タ。 - 【請求項５】 基板の上に前記強誘電体膜を形成した強
誘電体キャパシタであって、 前記第１の元素の組成比は、基板側から反対側に向かっ
て小さくなるように変化していることを特徴とする請求
項２記載の強誘電体キャパシタ。 - 【請求項６】 前記第１の元素の組成比は、前記組成式
におけるｙの値に関し基板側で０．９から１．１の範囲
内の値であり反対側が０．７から０．９の範囲内の値で
あることを特徴とする請求項５記載の強誘電体キャパシ
タ。 - 【請求項７】 前記第１の元素はストロンチウム（Ｓ
ｒ）であることを特徴とする請求項１記載の強誘電体キ
ャパシタ。 - 【請求項８】 前記強誘電体膜は、８５％以上が前記層
状結晶構造酸化物の結晶相よりなることを特徴とする請
求項１記載の強誘電体キャパシタ。 - 【請求項９】 ビスマス（Ｂｉ）と、第１の元素として
のストロンチウム（Ｓｒ），カルシウム（Ｃａ）および
バリウム（Ｂａ）からなる群のうちの少なくとも１種
と、第２の元素としてのタンタル（Ｔａ）およびニオブ
（Ｎｂ）からなる群のうち少なくとも１種と、酸素
（Ｏ）とからなり、組成式がＢｉx （Ｓｒ，Ｃａ，Ｂ
ａ）y （Ｔａ，Ｎｂ）2 Ｏ9 ±d （但し、１．７０≦ｘ
≦２．５０，０．６０≦ｙ≦１．２０，０≦ｄ≦１．０
０）である多結晶の層状結晶構造酸化物を含む強誘電体
膜に一対の電極が接続された強誘電体キャパシタを製造
する方法であって、 層状結晶構造酸化物を含む複数の層を積層して強誘電体
膜を形成すると共に、この強誘電体膜の形成に際して
は、複数の層のうちの少なくとも１層について第１の元
素の組成比が他の層と異なるように構成することを特徴
とする強誘電体キャパシタの製造方法。 - 【請求項１０】 強誘電体膜に一対の電極が接続された
強誘電体キャパシタを有するメモリセルであって、 前記強誘電体膜は、ビスマス（Ｂｉ）と、第１の元素と
してのストロンチウム（Ｓｒ），カルシウム（Ｃａ）お
よびバリウム（Ｂａ）からなる群のうちの少なくとも１
種と、第２の元素としてのタンタル（Ｔａ）およびニオ
ブ（Ｎｂ）からなる群のうち少なくとも１種と、酸素
（Ｏ）とからなる多結晶の層状結晶構造酸化物を含むと
共に、この層状結晶構造酸化物は組成式がＢｉx （Ｓ
ｒ，Ｃａ，Ｂａ）y （Ｔａ，Ｎｂ）2 Ｏ9 ±d （但し，
１．７０≦ｘ≦２．５０，０．６０≦ｙ≦１．２０，０
≦ｄ≦１．００）であり、かつ前記強誘電体膜において
第１の元素の組成比に変化を有することを特徴とするメ
モリセル。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09184147A JP3103916B2 (ja) | 1997-07-09 | 1997-07-09 | 強誘電体キャパシタおよびその製造方法並びにそれを用いたメモリセル |
| US09/111,686 US6153898A (en) | 1997-07-09 | 1998-07-08 | Ferroelectric capacitor, method of manufacturing same and memory cell using same |
| KR1019980027596A KR19990013720A (ko) | 1997-07-09 | 1998-07-09 | 강유전체 캐패시터와 그 제조 방법 및 그 캐패시터를이용한 메모리셀 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09184147A JP3103916B2 (ja) | 1997-07-09 | 1997-07-09 | 強誘電体キャパシタおよびその製造方法並びにそれを用いたメモリセル |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1126706A JPH1126706A (ja) | 1999-01-29 |
| JP3103916B2 true JP3103916B2 (ja) | 2000-10-30 |
Family
ID=16148198
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09184147A Expired - Fee Related JP3103916B2 (ja) | 1997-07-09 | 1997-07-09 | 強誘電体キャパシタおよびその製造方法並びにそれを用いたメモリセル |
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|---|---|
| US (1) | US6153898A (ja) |
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| KR (1) | KR19990013720A (ja) |
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| US6943392B2 (en) * | 1999-08-30 | 2005-09-13 | Micron Technology, Inc. | Capacitors having a capacitor dielectric layer comprising a metal oxide having multiple different metals bonded with oxygen |
| US6444478B1 (en) | 1999-08-31 | 2002-09-03 | Micron Technology, Inc. | Dielectric films and methods of forming same |
| KR100363084B1 (ko) * | 1999-10-19 | 2002-11-30 | 삼성전자 주식회사 | 박막 구조를 위한 다중막을 포함하는 커패시터 및 그 제조 방법 |
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| KR100371451B1 (ko) * | 2000-01-27 | 2003-02-07 | 김시환 | 식용 초 |
| US6562678B1 (en) * | 2000-03-07 | 2003-05-13 | Symetrix Corporation | Chemical vapor deposition process for fabricating layered superlattice materials |
| JP2002170938A (ja) * | 2000-04-28 | 2002-06-14 | Sharp Corp | 半導体装置およびその製造方法 |
| US6558517B2 (en) * | 2000-05-26 | 2003-05-06 | Micron Technology, Inc. | Physical vapor deposition methods |
| SE517440C2 (sv) | 2000-06-20 | 2002-06-04 | Ericsson Telefon Ab L M | Elektriskt avstämbar anordning och ett förfarande relaterande därtill |
| JP3833887B2 (ja) * | 2000-10-30 | 2006-10-18 | 株式会社東芝 | 強誘電体メモリ及びその製造方法 |
| US6429497B1 (en) * | 2000-11-18 | 2002-08-06 | Hewlett-Packard Company | Method for improving breakdown voltage in magnetic tunnel junctions |
| US6566147B2 (en) | 2001-02-02 | 2003-05-20 | Micron Technology, Inc. | Method for controlling deposition of dielectric films |
| US20030017266A1 (en) * | 2001-07-13 | 2003-01-23 | Cem Basceri | Chemical vapor deposition methods of forming barium strontium titanate comprising dielectric layers, including such layers having a varied concentration of barium and strontium within the layer |
| US6838122B2 (en) * | 2001-07-13 | 2005-01-04 | Micron Technology, Inc. | Chemical vapor deposition methods of forming barium strontium titanate comprising dielectric layers |
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| KR20050010650A (ko) * | 2003-07-22 | 2005-01-28 | 주식회사 하이닉스반도체 | 강유전체 캐패시터의 제조 방법 |
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| JP2005249645A (ja) * | 2004-03-05 | 2005-09-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 角速度センサおよびその製造方法 |
| JP2009117768A (ja) * | 2007-11-09 | 2009-05-28 | Toshiba Corp | 半導体記憶装置およびその製造方法 |
| JP2009152235A (ja) * | 2007-12-18 | 2009-07-09 | Panasonic Corp | 強誘電体積層構造及びその製造方法、電界効果トランジスタ及びその製造方法、並びに強誘電体キャパシタ及びその製造方法 |
| JP5499811B2 (ja) | 2010-03-19 | 2014-05-21 | 富士通株式会社 | キャパシタ及び半導体装置 |
| WO2015012359A1 (ja) * | 2013-07-25 | 2015-01-29 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 強誘電体デバイス及びその製造方法 |
| US9876018B2 (en) | 2015-12-03 | 2018-01-23 | Micron Technology, Inc. | Ferroelectric capacitor, ferroelectric field effect transistor, and method used in forming an electronic component comprising conductive material and ferroelectric material |
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| US11758737B2 (en) * | 2020-05-28 | 2023-09-12 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Ferroelectric memory device and method of forming the same |
| US11665909B2 (en) | 2020-07-23 | 2023-05-30 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | FeRAM with laminated ferroelectric film and method forming same |
| US20230065132A1 (en) * | 2021-08-30 | 2023-03-02 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Semiconductor device and method of fabricating the same |
| KR20230045291A (ko) * | 2021-09-28 | 2023-04-04 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 반도체 장치 및 그 제조 방법 |
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| US5736759A (en) * | 1996-07-24 | 1998-04-07 | Nec Research Institute, Inc. | Reduced fatigue ferroelectric element |
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| JPH10242426A (ja) * | 1996-12-26 | 1998-09-11 | Sony Corp | 半導体メモリセルのキャパシタ構造及びその作製方法 |
-
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- 1997-07-09 JP JP09184147A patent/JP3103916B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1998
- 1998-07-08 US US09/111,686 patent/US6153898A/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
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